硬质合金生产技术之压制和烧结.doc

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第三章压制

第一节    压制机理

一，压制过程：

粉末压制成型是粉末冶金生产的基本成型方法；在压摸中填装粉末，然后在压力机下加压，脱模后得到所需形状和尺寸的压坯制品，，粗略分三阶段：

1，压块密度随压力增加而迅速增大；孔隙急剧减少。

2，压块密度增加缓慢，因孔隙在1阶段中大量消除，继续加压只是让颗粒发生弹性屈服变形。

3，压力的增大可能达到粉末材料的屈服极限和强度极限，粉末颗粒在此压力下产生塑性变形或脆性断裂。

因颗粒的脆性断裂形成碎块填入孔隙，压块密度随之增大。

二，压制压力：

压制压力分二部分；一是没有摩擦的条件下，使粉末压实到一定程度所需的压力为“静压力”（P1）；二是克服粉末颗粒和压模之间摩擦的压力为“侧压力”（P2）。

压制压力P=P1+P2

侧压系数=侧压力P2÷压制压力P=粉末的泊松系数u÷（1-u）=tg2（45º-自然坡度角Φ÷2）

侧压力越大，脱模压力就越大，硬质合金粉末的泊松系数一般为0.2-0.25之间。

三，压制过程中的压力分布：

引起压力分布不匀的主要原因是粉末颗粒之间以及粉末与模壁之间的摩擦力。

压块高度越高，压力分布越不均匀。

实行双向加压或增大压坯直径，能减少压力分布的不均匀性。

四，压块密度分布：

越是复杂的压块，密度分布越不均匀；除压力分布的不均匀（压力降）外，装粉方式不正确，使压块不同部位压缩程度不一致，也会造成压块密度不均匀。

1，填充系数：

是指压块密度Y压与料粒的松装密度Y松的比值；压缩比：

是指粉末料粒填装高度h粉与压块高度h压之比；在数值上填充系数和压缩比是相等的。

K=Y压÷Y松=h粉÷h压

2，为了减少压块密度分布的不均匀性：

（1）提高模具的表面光洁度；

（2）减少摩擦阻力；

（3）提高料粒的流动性；

（4）采用合理的压制方式；

 3，粉末粒度对压制的影响；

（1）粉末分散度越大（松装越小），压力越大。

压块密度越小；有较大的强度值，成型性好。

（2）料粒较粗，压块容易达到较高的压块密度，但其密度分布往往是不均匀的；一般情况下，压块强度随成型剂的加入量而提高。

五，压块的弹性后效：

1，弹性内应力：

粉末颗粒内部和颗粒间接触表面上，由于原子间引力和吸力的相互作用，会产生一个与颗粒受力方向相反，并力求阻止颗粒变形，以便达到与压制压力平衡的作用力叫弹性内应力。

2，弹性后效：

在除去压制压力和把压块脱模后，由于弹性内应力的松弛作用而引起压块体积膨胀的现象叫弹性后效。

3，在许多情况下，压块脱模后发生弹性膨胀是造成压块裂纹和分层的原因。

4，粉末粒度细，颗粒粗糙程度降低，颗粒间结合强度降低（成型不足或含水量大）以及氧化物和杂质含量增加都会增加弹性后效。

料粒干燥太干而变硬，也会增加弹性后效。

第一节   压制工艺

一，压模；

1，压缩比（或填充系数）：

混合料愈细，则松装比容愈大，要压制成给定密度压块的压缩比也愈大。

一般在2.5-4倍间；压模在压制过程中发生弹性变形往往造成脱模后压块的横向裂纹。

2，线收缩系数：

压块尺寸与烧结制品相应尺寸之比。

压块密度越大，收缩系数越小。

二，压制工艺：

模压成型包括称料，装模，压制，脱模以及压块干燥，修边（半检）和压块加工；压制压力机操作比较简单，关键在于安调整单重，尺寸以及处理由于设备故障及物料不稳定带来的一些问题。

三，压制废品：

1，分层：

沿压块的棱出现，与受压面呈一定角度，形成整齐的分界面叫分层。

造成压块分层的原因是压块中弹性内应力或弹性张力。

如混合料钴含量低，碳化物硬度高，粉末或料粒愈细，成型剂太少或分布不均匀，混合料过湿或过干，压制压力过大，单重过大，压块形状复杂，模具光洁度太差，台面不平，均有可能造成分层。

提高压块强度，减少压块内应力和弹性后效是解决分层的有效方法。

2，裂纹：

压块中出现不规则局部断裂的现象叫裂纹。

由于压块内部的拉伸应力大于压块的抗张强度。

压块内部拉伸应力来自于弹性内应力。

应注意：

影响分层的因素同样影响裂纹。

另外，延长保压时间或多次加压，减少压力，单重，改善模具设计和适当增加模具厚度，加快脱模速度，增加成型剂，提高物料松装密度；可以减少裂纹。

3，未压好（显颗粒）：

尽管压块孔隙度可达到40%左右，但由于压制时物料或压力降原因，压坯孔隙是不均匀的；如果局部空隙尺寸太大，烧结中无法消除，叫未压好。

料粒太硬，料粒过粗，物料松装太大；松装料粒在模腔中分布不均匀，单重偏低。

均可能造成未压好（显颗粒）。

第三节其他成型方法

一，增塑性毛坯加工：

利用增塑剂，提高模压成型压块的可塑性，随后进行各种机械加工，以制取压制品的方法叫增塑性毛坯加工，其生产原理：

1，一般对毛坯收缩系数应控制在1.23-1.30之间。

2，预烧：

目的提高毛坯强度，同时在排除成型剂时形成小空隙，以利于随后的渗蜡，预烧在400℃时应保持较长的时间，预烧温度为700-800℃之间，预烧时间1-1.5小时。

防止压块在脱蜡过程中起皮。

3，渗蜡：

提高毛坯的可塑性，以利于加工，毛坯放入石蜡中的温度为60℃，缓慢升到180-200℃停止。

毛坯取出是石蜡温度为60℃。

4，切削加工：

切削加工是应注意，由于毛坯强度低，容易夹裂；碳化物硬度高，易磨损刀具，应使用低钴细颗粒合金刀具，采用较大的前角和后角，低速，小刀进量；

一，等静压制

利用高压液体的静压力直接作用于装在弹性模具内的物料，使压块多向同时均衡受压的一种成型方法，通过传递压力的介质是水溶液，因而也称水静压制；等静压制时，压块强度，线收缩和成型压力没多大关系，一般在2吨/cm2以下。

1，模具：

（型芯和模套）用来成型塑料模的外表，钻有孔眼的薄铁皮套筒；（弹性模具）须不易变形，不粘附压件。

2，成型工艺：

将粉末装入弹性模具中，经密封后置于高压容器中，由高压泵打入液体介质，造成等静压力，使物料均匀受压，降压放出高压容器中的液体介质，然后取出压块；

使用较细的料粒可以改善压块的表面质量。

装模均匀一致，密实，装好料的模具用塑料塞子塞住，用金属丝扎紧。

封模后进行真空排气处理，以免出现大气孔和表面缺陷。

装入等静压机的高压容器中，升成型，压力为600-1800KG/cm2。

3，干粉（干袋）压制：

此工艺生产方式是由等静压制方式进化而成，物料装在塑料模套里，压缩空气推动液体介质，造成静压力，物料受压成型；一般压缸增压压力在13-15MPa。

松压后取出压坯。

主要用于棒材或模芯生产。

二，挤压成型：

将经过增塑的混合料放入挤压筒中，在挤压筒的一端安放模子，模子上有所需挤压制品断面的模孔，在挤压筒的另一端插入挤压杆，挤压机的压力通过挤压杆转给混合料，使之通过模孔而成为具有一定形状的制品。

第一节      氢气烧结

将含有成型剂的压块装在石墨舟皿中，再充填有一定碳含量的氧化铝填料或石墨颗粒填料，然后，通常是装入连续推进式的钼丝炉内，在氢气保护下进行烧结，这个过程就是氢气烧结过程。

一，  气相与烧结体反应原理：

1，      脱氧反应：

MeO+H2=Me+H2O

2，      碳化钨的脱碳反应（温度在800-950℃以上）：

WC+H2O=W+H2+CO

WC+2H2=W+CH4（甲烷）

3，增碳反应：

CH4=C+2H2（CH4来自成型剂在400-500℃产生分解时的裂化）

2CO=CO2+C

4，水煤气反应的产生：

H2O+C=CO+H2（碳来源于石墨舟皿，填料以及游离碳）

二，  实际烧结过程中常见的化学反应

1，钴氧化物的还原：

混合料中的某些细颗粒的钴粉是以氧化物形态存在的，较粗的钴粉表面也会形成氧化物膜；因钴粉在空气中储存，混合料湿磨，干燥以及压块长时间暴露于空气，压块的进一步干燥；通常细颗粒混合料中的氧含量甚至超过1.0%，但钴的氧化物可以完全被氢和碳化物还原：

2COO+2C=2CO+CO2

2COO+WC=2CO+W+CO2

3COO+3WC=W3CO3C+CO+CO2

2，湿氢脱碳：

由于氢的含水量高达1000毫克/M3，温度达到950℃以上，使碳化钨急剧脱碳并形成η相；在固相烧结中，由于严重脱碳形成η相使压块体积增大。

线尺寸可增大6-7%，造成压块孔隙度增高使收缩困难；不均匀的脱碳造成制品变形。

为避免因氢气中含水量太高而造成脱碳，应充填石墨颗粒或含碳的氧化铝作保护。

3，气相渗碳：

因炉气存在一氧化碳和甲烷带来的渗碳叫气相渗碳。

（1）固相渗碳阶段：

在烧结过程的前面两个阶段，烧结体中为出现液相，压块还是一个多孔体，这时炉气渗碳是通过含碳气体在烧结体孔隙表面上分解出碳，然后此活性碳进一步向颗粒内部扩散，从而完成渗碳过程，采用高碳填料烧结，以便给缺碳的烧结体增碳，防止合金中出现η相组织。

（2）液相渗碳阶段：

当烧结体进入液相烧结阶段以后，迅速收缩达到致密状态。

烧结体的渗碳过程是通过液态钴的吸碳过程来实现的。

由于烧结体中出现液相以后，碳在液相中的溶解度迅速增大，使液相渗碳明显进行，提高温度，增加保温时间，增加渗碳气体浓度都可以提高渗碳速度，合金含钴量高，碳化物颗粒细，都有利于液相渗碳。

三，成型剂的增碳作用：

在低温烧结阶段，成型剂的分解使烧结体增碳。

1， 成型剂增碳过程和特点：

（1）橡胶：

加热时会发生裂变，在低温烧结阶段分解成氢，甲烷等碳氢化合物和游离碳。

碳留在烧结体中，给烧结体一次增碳，碳氢化合物进入炉内，炉气的气相渗碳反应给烧结体二次增碳。

（2）石蜡：

石蜡在蒸发冷凝过程中会发生某些变化。

石蜡在高温下裂化也会产生碳氢化合物气体，使烧结体渗碳，不过，渗碳量极少，只有高熔点石蜡才能产生较多的碳。

2，影响成型剂增碳的因素：

（1）     成型剂的加入量与增碳量成正比；

（2）     升温速度：

升温速度越快，增碳越多。

反之，则越少。

（3）      氢气流量：

增大氢气流量，可减少成型剂的增碳量。

四，氢气烧结规范的选择：

1，烧结温度：

硬质合金的烧结温度通常应高于其主要碳化物与粘结金属的共晶温度40-100℃；如WC—CO的共晶点为1340℃，其烧结温度为1370-1440℃

2，烧结时间：

必须保证足够的时间才能完成烧结过程的组织转变。

尽管在一定的范围内，烧结温度和时间可以互相补充。

如高温快速或低温慢速。

但是，这个范围是有限的。

如果温度过于偏低，再延长烧结时间也不能使合金达到应有的密度。

为了在烧结温度下能达到平衡状态，并有充分的组织转变时间，通常保温1-2小时。

但是，烧结时间还受到其他因素的影响。

如制品大小就是一个重要的因素。

3，填料的选择：

填料的作用在于氢气烧结中很重要，它可以在局部空间内造成一种适合于烧结体烧结的气氛，从而保证合金的碳含量在允许的范围内，使合金组织正常。

（1）    渗碳的填料：

石墨粉1-3mm大小；

（2）    脱碳性填料：

氧化镁；W粉；

（3）     氧化铝填料：

其中加入少量的（0.1-.07%）碳，起着碳的载体作用，低温时吸碳，高温时脱碳；

4，升温速度：

间歇性生产的炉内以单位时间内上升的温度度数表示；连续炉内则以推舟速度（毫米/分）表示。

升温过快，烧结体增碳量增多，而且还会使炉内碳氢化合物气体浓度大大超过正常值，造成起皮废品；升温太慢，烧结体增碳量减少，还会使烧结体脱碳增氧。

1，氢气纯度：

通常使用露点为负40º。

含水量越低越好。

如负70º。

五。

YT，YW合金真空烧结制度

合金牌号

500-700℃下保温时间（分）

1000-1200℃下保温时间（分）

烧结温度

烧结温度下保温时间（分）

真空度（u）

YT5

30-40

30-40

1460-1470

40-50

100

YT14

30

40

1430-1440

40-50

100

YT15

30

40

1460-1470

40-50

100

YW1，

YW3，YW4

30

40

1400-